焦玉成　王正浩　陳瑞　高橋

摘? 要：變壓器作為輸配電過程中最重要的電氣設(shè)備之一，總?cè)萘砍^發(fā)電機(jī)總?cè)萘?，所產(chǎn)生的損耗也占線損很大部分，變壓器經(jīng)濟(jì)運行對電力系統(tǒng)的成本和效益有著直接的影響?；赑LC與觸摸屏的變壓器組投切監(jiān)控系統(tǒng)以PLC為控制器，利用互感器、變送器來實現(xiàn)對用戶側(cè)用電數(shù)據(jù)采集，觸摸屏和人機(jī)組態(tài)畫面來對控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。依據(jù)變壓器經(jīng)濟(jì)運行原理，輸出驅(qū)動變壓器組自動投切，從而實現(xiàn)變壓器的經(jīng)濟(jì)運行，降損節(jié)能。

關(guān)鍵詞：PLC；變壓器；經(jīng)濟(jì)運行；監(jiān)控

中圖分類號：TP277；TM313? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）11-0056-05

Monitoring System of Transformer Unit Switching Based on PLC and Touch Screen

JIAO Yucheng1， WANG Zhenghao1， CHEN Rui2， GAO Qiao1

（1.School of Mechanical and Electrical Engineering， Sanjiang University， Nanjing? 210012， China;

2.Nanjing Estable Electric Power Technology Co.， Ltd.， Nanjing? 210012， China）

Abstract： As one of the most important electrical equipment in the process of transmission and distribution， the total capacity of transformer exceeds the total capacity of the generator， and the loss generated accounts for a large part of the line loss. The economical operation of transformer has a direct impact on the cost and benefit of power system. The monitoring system of transformer unit switching based on PLC and touch screen takes PLC as the controller， and uses the transformer and transmitter to realize the user side power consumption data acquisition， uses the touch screen and human-machine configuration screen to monitor the control system. According to the economical operation principle of the transformer， the system output drives the automatic switching of the transformer unit， so as to realize the economical operation of the transformer， reduce loss and save energy.

Keywords： PLC; transformer; economical operation; monitor

0? 引? 言

在電力系統(tǒng)中，配電變壓器是傳輸、分配電能的重要電氣設(shè)備，是必不可缺的電氣設(shè)備之一。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，由于變壓器數(shù)量大、分布廣，在運行過程中變壓器自身產(chǎn)生的有功功率損耗和無功功率損耗總量占電能損耗比例約30%，存在很大的節(jié)約潛能。根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)分析計算，要是變壓器處于經(jīng)濟(jì)運行狀態(tài)下，每年至少能夠節(jié)省總用電量1%的電能損耗。所以，節(jié)約電能，開展對變壓器的經(jīng)濟(jì)運行研究是十分有必要的。若將變壓器有效地控制在最佳經(jīng)濟(jì)運行狀態(tài)，則可以降低變壓器的功率損耗，從而降低配電線路網(wǎng)損[1]。太原理工大學(xué)成立了變壓器的經(jīng)濟(jì)研究所，胡景生教授利用臨界值法作為控制變壓器投切的方法，并通過理論實踐說明變壓器經(jīng)濟(jì)運行是一種經(jīng)濟(jì)實用節(jié)能方法。變壓器經(jīng)濟(jì)運行是指在不同的負(fù)載下，有效調(diào)節(jié)變壓器的投切量和運行方式，確保傳輸電量保持不變，讓變壓器的損耗盡量降低至最小。

將計算機(jī)技術(shù)、傳感器、電力電子等各種手段結(jié)合起來，并運用高可靠性的可編程控制器實現(xiàn)變壓器運行的自動化控制系統(tǒng)可以在比較極端的情況下控制，在各種惡劣環(huán)境中高效穩(wěn)定運行，工作人員只需要在中央控制室中實時地觀測即可，從而有效地減小人力工作量[2]。本文利用臨界值法作為變壓器投切的理論基礎(chǔ)，運用PLC作為控制器，觸摸屏作為人機(jī)監(jiān)控工具，完成多臺變壓器自動投切監(jiān)控系統(tǒng)。

1? 基于PLC的變壓器組投切方案

1.1? 變壓器組經(jīng)濟(jì)運行基礎(chǔ)

變壓器運行時的有功功率損耗是由空載損耗和負(fù)載損耗兩部分組成的。其空載損耗在接入電源后是一個常數(shù)，在空載和運行時沒有變化，與所帶負(fù)載大小無關(guān)。而其負(fù)載損耗則與變壓器實際所帶負(fù)載的平方成正比。為了達(dá)到最佳的節(jié)能效果，在2臺以上的變壓器運行系統(tǒng)中，隨著負(fù)載的變化需要經(jīng)常調(diào)節(jié)變壓器的運行方式[3]。

變壓器在投入運行時，有功功率、無功功率和無功功率損耗都和負(fù)載大小成非線性關(guān)系。所以無功損耗率、有功損耗率和綜合功率損耗率也隨著負(fù)載的變化而變化。根據(jù)其綜合功率損耗率計算式為：

變壓器組的效率并不是隨著負(fù)載越大就越高，變壓器在綜合功率經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)下運行時其綜合功率損耗率最低。雙繞組變壓器的最佳經(jīng)濟(jì)運行區(qū)域與變壓器的綜合功率損耗有關(guān)[4]，GB/T 13462—2008《電力變壓器經(jīng)濟(jì)運行》中規(guī)定了變壓器在額定負(fù)載運行為經(jīng)濟(jì)運行區(qū)域的上限，與上限額定綜合功率損耗相等的另一點為經(jīng)濟(jì)運行區(qū)的下限。經(jīng)濟(jì)運行區(qū)域的上限負(fù)載系數(shù)為0.75，下限負(fù)載系數(shù)為1.33 βJZ2[1]。所以在控制變壓器投切時，要根據(jù)實時負(fù)載情況，時刻使變壓器處于最佳經(jīng)濟(jì)運行狀態(tài)，達(dá)到節(jié)電、節(jié)能目的。變壓器組經(jīng)濟(jì)運行最常用的是臨界點劃分法，首先計算出經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)，再畫出不同負(fù)載損耗的曲線，求其交點來獲得功率臨界點，從而劃分出經(jīng)濟(jì)運行區(qū)間[5]。

1.2? 變壓器組自動投切方案

采用臨界點劃分法的思路是：用戶側(cè)負(fù)載功率小于臨界負(fù)載功率點時，投入主變壓器，當(dāng)負(fù)載功率大于臨界負(fù)載功率點時，增加投入備用變壓器。變壓器并列運行方式需要滿足下列條件：一是要求繞組聯(lián)結(jié)存在一樣的組別；其二是要求變壓器具有一樣的變比；其三變壓器的短路阻抗需要盡可能接近，要求差值維持在5%內(nèi)；最后，要求容量相差不能過大[6]。這樣才能夠確保并聯(lián)變壓器之間具有良好負(fù)載依據(jù)的容量比有效分配，避免其中某臺出現(xiàn)過載或輕載等情況，有效實現(xiàn)對多臺變壓器具有容量的有效利用。

本文的變壓器組投切方案如圖1所示。本系統(tǒng)包括電量采集、運算與分析（PLC控制器）、輸出驅(qū)動（數(shù)字量輸出）空載投切變壓器。系統(tǒng)實時采集電網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)載的電壓與電流信號，采用負(fù)荷預(yù)算與實時控制結(jié)合的方法，PLC運算分析采集到的電壓、電流、功率因數(shù)等電量，由控制系統(tǒng)輸出驅(qū)動開關(guān)電器，控制變壓器組變壓器的投入與斷開，實現(xiàn)根據(jù)負(fù)荷自動調(diào)節(jié)變壓器的投切量，達(dá)到經(jīng)濟(jì)運行的目的。

本系統(tǒng)擬選用三臺參數(shù)相似的變壓器并列運行給負(fù)載提供電能為例。圖2為變壓器組并列運行控制系統(tǒng)的主電路示意圖。在實際的電網(wǎng)系統(tǒng)中，用戶側(cè)負(fù)荷都為可變負(fù)載。變壓器組的投入量由PLC驅(qū)動的接觸器控制，當(dāng)控制系統(tǒng)的輸出模塊在控制系統(tǒng)程序運算后有輸出信號時，接觸器線圈得電，串聯(lián)在主電路中的接觸器常開觸點閉合，將所對應(yīng)的變壓器投入運行；反之，當(dāng)常開觸點斷開，對應(yīng)的變壓器則退出運行。根據(jù)用戶側(cè)負(fù)荷變化而實時控制變壓器組的實際投入量，可使供電系統(tǒng)負(fù)荷率盡量為最佳負(fù)荷率范圍區(qū)間。臨界負(fù)載與變壓器運行臺數(shù)可根據(jù)式（1）（2）具體運算，控制負(fù)載系數(shù)。降低變壓器的損耗，達(dá)到降低電網(wǎng)損耗、實現(xiàn)節(jié)能的目的。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計

PLC一般根據(jù)變壓器投切控制系統(tǒng)所需要I/O點數(shù)和控制系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行選型。本系統(tǒng)根據(jù)綜合性價比選用西門子S7-1500系列PLC型號CPU 1515。選用開關(guān)電源對控制電路中低壓元器件供電，型號為DRP-480-24。電壓互感器型號選用擇明ZMPT107，額定輸入輸出電流為2 mA。電流互感器型號選用LMZJ1 1000/5，一次側(cè)電流5～3 000 A，二次側(cè)電流5 A、1 A，額定電壓為0.5 kV。電壓變送器將交流電壓轉(zhuǎn)換成按線性比例輸出直流電壓的設(shè)備。電流互感器將主回路的大電流變?yōu)?～5 A，這個0～5 A可直接接于電度表或電流表。由于像PLC器件輸入端的電流為0～20 mA，所以再用電流變送器將0～5 A的電流變成標(biāo)準(zhǔn)的可以接入自控儀器的4～20 mA電流。一次側(cè)回路的電量參數(shù)經(jīng)由互感器接入采集電路。圖3為電量采集電路圖，采用多功能電度表實時采集電氣線路的電量參數(shù)。

對于變壓器組的信號采集，需要用到電壓、電流互感器和電壓、電流變送器。T4、T5、T6為電壓互感器。V1、V2、V3為電流互感器。V4、V5、V6為電壓變送器。V7、V8、V9為電流變送器。圖4為變壓器組信號采集電路圖。

PLC輸出驅(qū)動電流較小，可先驅(qū)動中間繼電器后再驅(qū)動交流接觸器。K1～K8八個中間繼電器和KM4～KM11八個接觸器來實現(xiàn)對ABC三個變壓器一次側(cè)和二次側(cè)的接通斷開控制。變壓器組控制用接觸器的投切控制回路見圖5，可看出，首先由PLC輸出驅(qū)動中間繼電器，再由中間繼電器通斷交流接觸器，最后再由接觸器實現(xiàn)變壓器組的投切控制。

PLC開關(guān)量輸入主要應(yīng)用于特殊情況下的手動控制，包括急停功能、手動啟動停止系統(tǒng)、系統(tǒng)正常工作控制。開關(guān)量輸出則用于驅(qū)動中間繼電器。模擬量輸入模塊通過采集電路來接收變壓器側(cè)各相的電壓、電流、電量數(shù)據(jù)，如圖6所示。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

信號采集電路采集電網(wǎng)側(cè)電壓、電流、功率等信息，經(jīng)由PLC匹配的模擬量模塊接收后保存至可編程控制器的輸入映像寄存器，然后程序掃描進(jìn)行計算、處理，驅(qū)動相關(guān)的輸出點控制中間繼電器線圈閉合與斷開。通過中間繼電器的得電與失電，繼而改變接觸器線圈的通斷狀態(tài)，驅(qū)動相應(yīng)的變壓器的投入與切除，實現(xiàn)PLC根據(jù)負(fù)載變化靈活地投入運行，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)運行的目的。

系統(tǒng)的程序控制流程如圖7所示。系統(tǒng)啟動后，經(jīng)自檢無其他問題后直接進(jìn)入自動投切控制方式。對采集的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析后，依據(jù)本文前述的變壓器經(jīng)濟(jì)運行理論規(guī)則運算處理，最終確定變壓器投切臺數(shù)，對控制變壓器投切運行的接觸器發(fā)出命令，實現(xiàn)最佳運行狀態(tài)，達(dá)到電網(wǎng)運行節(jié)能降耗的要求。

4? 基于觸摸屏的監(jiān)控設(shè)計

WINCC flexible組態(tài)仿真軟件是西門子官方推出的對其觸摸屏進(jìn)行編程的工具，用來操作和監(jiān)控機(jī)器與設(shè)備。監(jiān)控畫面如圖8所示，沒按下啟動按鈕時，運行指示燈顯示未紅色，表示系統(tǒng)沒有運行。監(jiān)控畫面中顯示有4個負(fù)載，包括辦公室、一號工廠、二號工廠、三號工廠。并顯示對A相電壓電流、B相電壓電流、C相電壓電流進(jìn)行實時電量采集。從而來判斷變壓器經(jīng)濟(jì)運行條件，并對變壓器組投切進(jìn)行控制。

5? 結(jié)? 論

本系統(tǒng)利用PLC可編程控制器對并聯(lián)變壓器組的經(jīng)濟(jì)運行進(jìn)行自動投切控制，并在組態(tài)畫面中對系統(tǒng)運行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。在PLC編程設(shè)計方面，考慮到系統(tǒng)的運行可靠性與對數(shù)據(jù)實時采集的處理，結(jié)合硬件電路設(shè)計了系統(tǒng)啟?？刂瞥绦?、數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)計算程序、變壓器經(jīng)濟(jì)運行判斷程序以及變壓器組投切控制程序。并通過組態(tài)仿真實現(xiàn)對變壓器組投切的實時運行監(jiān)控。當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時，系統(tǒng)能根據(jù)采集到的內(nèi)部數(shù)據(jù)及時運算并進(jìn)行判斷變壓器組是否投切，作出輸出驅(qū)動響應(yīng)。

本次基于PLC的變壓器組投切監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計還是比較成功的，可以基本實現(xiàn)預(yù)期的設(shè)計要求。同時PLC的程序可以根據(jù)要求不斷完善，簡單可行。對于變壓器組的經(jīng)濟(jì)運行有著重要的實際意義和價值。

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作者簡介：焦玉成（1979—），女，漢族，江蘇南京人，副教授，碩士研究生，研究方向：電力系統(tǒng)、電氣工程、新能源等；王正浩（2000—），男，漢族，河南洛陽人，技術(shù)服務(wù)工程師，本科，研究方向：電氣工程及其自動化等；陳瑞（1988—），男，漢族，江蘇南京人，工程師，本科，研究方向：無功電壓、電量線損、電氣工程、工業(yè)自動化、新能源等；高橋（1997—），男，漢族，江蘇南京人，技術(shù)服務(wù)工程師，本科，研究方向：電氣工程、自動化等。

收稿日期：2022-12-06